專利名稱：開采煤層氣的方法
技術領域：
本發明涉及一種開采煤層氣的方法，具體地，涉及通過向煤層氣儲層中注入氣體，尤其是含有二氧化碳的氣體，置換出更多的甲烷，從而提高煤層氣產量的方法，本發明的開采煤層氣的方法尤其是適用于深部煤層中煤層氣的開發。
背景技術：
煤層氣主要以吸附狀態存在于煤層中，目前，煤層氣的開采產量還比較低。尤其是，深部煤層的單井產量目前非常低，大部分 采用水平井或者壓裂來改善儲層的滲透率，提高產量，但效果都不理想，目前深部煤層中煤層氣的開采普遍單井產量比較低。本領域一直都需要新的開采煤層氣的方法，尤其是需要適合在深部煤層中開采煤層氣時提高產量的方法。
發明內容
本發明人發現，可通過將在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附在煤層中的氣體，尤其是包含二氧化碳的氣體，注入到煤層中，將甲烷從煤表面置換出來，來開采煤層氣，提高煤層氣井的單井產量。本發明包括以下內容I. 一種開采煤層氣的方法，其包括以下步驟a.在注入壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力的條件下，通過注入井向煤層氣儲層中注入氣體，所述注入的氣體在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中；b.在步驟a之后，進行悶井，使得注入的氣體和吸附到煤層氣儲層中的甲烷發生
置換；c.通過開采井進行煤層氣的排水采氣。2.第I項的方法，其中所述注入的氣體是包含二氧化碳的氣體。3.第I或2項的方法，其中所述注入的氣體是包含二氧化碳的氣體，并且其中含有至少40體積％，優選至少50體積％，還優選至少60體積％，還優選至少70體積％，還優選至少80體積％,更優選至少90體積％,最優選至少98體積％的二氧化碳,余量為氮氣和/或其它氣體。4.前述任一項的的方法，其中所述煤層氣儲層為深部煤層。5.前述任一項的方法，其中悶井的時間為I天至300天，優選20至60天，優選30至60天，更優選40至60天。6.前述任一項的方法，其中所述注入井和所述開采井是同一口井。7.前述第2至6項中任一項的方法，其中向煤層氣儲層中注入氣體的過程中，保持該注入的氣體與盡可能少的水接觸。8.第7項的方法，其中所述注入的氣體的注入采用油管注入。9.第8項的方法，其中所述油管是加厚和密封性好的油管。
10.前述任一項的方法，其中所述方法還包括以下步驟之一或全部d.在注入氣體之前，進行前期的生產和關井測試，通過生產采集井底壓力數據和進行產出氣體成分化驗，評價煤層氣儲層的特征，測量和記錄煤層氣和水的產量數據，通過模擬軟件，使用這些數據計算儲層的絕對滲透率、井筒區域的煤層傷害程度；e.進行關井測試關閉井，測試井底壓力。11.前述任一項的方法，其中所述注入的氣體的注入是連續、間歇或者半連續地進行的。12.第10項的方法，其中包括通過模擬軟件用步驟d和e獲得的數值進行模擬，計
算注入速率和注入量。 13.前述任一項的方法，還包括以下步驟f.在步驟a之前進行洗井。14.第13項的方法，其中，在洗井的同時保持井筒附近的煤層氣儲層無污染和減少洗井液與儲層反應產生的污染。15.第13或14項的方法，其中洗井液采用I %氯化鉀溶液或者排采出的地層水。16.第13至15項中任一項的方法，其中在洗井的過程中返排出井筒內的煤粉，從而使得在注入氣體時不引起儲層通道的堵塞。
圖I煤對C02、N2%CH4的吸附曲線。其中，橫坐標為吸附量(單位為單位是cm3/g)，縱坐標為氣體壓力(單位為單位是MPa)。圖2C02置換CH4示意圖。圖3深部煤層中注入二氧化碳開采提高煤層氣產量的工藝裝置示意圖。圖4注入井井筒結構圖。
具體實施例方式一般地，本發明提供一種開采煤層氣的方法，其包括以下步驟a.在注入壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力的條件下，通過注入井向煤層氣儲層中注入氣體，所述注入的氣體在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中；b.在步驟a之后，進行悶井，使得注入的氣體和吸附到煤層氣儲層中的甲烷發生置換；c.通過開采井進行煤層氣的排水采氣。在該方法中，注入的氣體具有在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中的性質。本申請所述的這種更容易吸附到煤層中的性質是指，注入的氣體中某一組分在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中，而無需構成注入的氣體的每種氣體組分都要比甲烷更容易吸附到煤層中。注入的氣體由于在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中，所以在注入到煤層中之后，經過一段時間，會將吸附在煤層氣儲層中的甲烷置換出來，由此可以提高煤層氣井的單井產量。通常甲烷吸附在煤的表面上。本發明中的注入的氣體是指在環境條件下不發生化學反應的氣體或者氣體的混合物，并且該氣體具有在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中的性質，而且還優選應該滿足的條件是該注入的氣體對環境無害，對人體無害。所述注入的氣體可以是純氣體例如純二氧化碳，或者氣體的混合物例如氮氣和二氧化碳的組合等。適合于本發明的注入的氣體優選為包含二氧化碳的氣體。所述注入的氣體中也可以含有少量的其它氣體成分，只要其含量滿足以上對于注入的氣體的限制即可。在本申請中，注入的氣體常常使用二氧化碳來示例，應該理解，在描述二氧化碳的時候，除非明確指出，也可使用注入的氣體代替。注入的氣體在注入時可以是液態的，也可以是氣態的。圖I為煤對C02、N2與CH4的吸附曲線，從圖中可以看出，煤對CO2的吸附能力遠遠高于對CH4的吸附能力。煤對N2的吸附能力雖然比煤對CH4的吸附能力弱，但是在注入的氣體中包含一部分氮氣，有助于CH4解吸壓力降低，從而增加煤層氣產量。在一種實施方式中，本發明的注入的氣體主要含有二氧化碳和氮氣。在該實施方式中，本發明的注入的氣體可含有0至60體積％的氮氣和100至40體積％的二氧化碳，優選含有0至50體積％的氮氣和100至50體積％的二氧化碳，更優選含有0至30體積％的氮氣和100至70體積％的二氧化碳，還更優選含有0至20體積％的氮氣和100至80體 積％的二氧化碳，最優選含有0至10體積％的氮氣和100至90體積％的二氧化碳，基于氮氣和二氧化碳的總重量。還在該實施方式中，本發明的注入氣體還可含有其它氣體，其它氣體的含量可為少于5體積％。在本發明的方法中，優選使用二氧化碳含量較高，例如大于80體積％的氣體。這是因為，煤吸附二氧化碳的能力是吸附甲烷的2-4倍(當然，根據不同的煤階，這個數值會有所不同)，通過向煤層中注入二氧化碳，能夠置換出更多的甲烷，提高煤層氣井的單井產量，為深部煤層中煤層氣的開發提供一條有效的途徑，同時又可以將稱之為溫室氣體的二氧化碳在地層中永久封存。圖2是以二氧化碳為例所示的二氧化碳置換甲烷的示意圖。本發明中所述的悶井是指在注入全部氣體之后，將注入井密封，使開采煤層與外界隔開，使得注入的氣體在封閉的環境中，有足夠的時間將煤層氣從煤層中置換出來。在本發明的實施方式中，悶井的時間為I天至300天，優選20至60天，優選30至60天，更優選40至60天。本發明的方法特別適合用于深部煤層。但是大量的煤層經歷了數億年的地質演化，煤層中的煤層氣含量豐富。尤其是對于深部煤層，它們所存儲的煤層氣難以充分開發。采用本發明的方法將二氧化碳氣體等注入深部煤層，不但可以利用深部煤層來存儲溫室氣體，達到改善環境的目的，而且同時可以使二氧化碳充分置換出吸附在煤層中的煤層氣，從而大大提高深部煤層煤層氣的產量，最終達到提高采收率的目的。一般而言，煤層氣的絕對主要成分是甲燒，因此在本發明中，術語“甲烷”和“煤層氣”可以互換使用。在一種實施方式中，所述注入的氣體的注入采用低溫二氧化碳注入泵撬裝設備注入，并采用變頻控制系統和井底壓力傳感器進行注入壓力和注入量的控制。在該實施方式中，注入的氣體為二氧化碳，使用二氧化碳罐車向注入泵提供液體二氧化碳，通過調節注入泵的轉動頻率來調節泵所提供的壓力，進而調節注入壓力，以此達到向井底注入二氧化碳的目的。本發明的實施方式中，注入氣體的井(即注入井)和開采煤層氣的井(即開采井)
是同一口井。在本發明的實施方式中，在向煤層氣儲層中注入氣體的過程中，應該保持該注入的氣體與盡可能少的水接觸。在最優選的實施方式中，在向煤層氣儲層中注入氣體的過程中，應該保持該氣體不與水接觸。不受理論限制，認為，在注入氣體，尤其是包含二氧化碳的氣體時，如果二氧化碳與水接觸，那么注入的二氧化碳可能會形成水合物堵塞注入通道。在本發明的實施方式中，可以通過油管和套管之間的環空注入氣體，具體地包含二氧化碳的氣體。在本發明的另一實施方式中，通過油管注入氣體，具體地包含二氧化碳的氣體。在本發明的實施方式中，通過油管注入液體二氧化碳是尤其優選的，這是因為，套管和地層接觸，如果套管絲扣不緊或者其它原因，會有水滲入到井筒中，壓力大、溫度低的液體二氧化碳遇到水后，可能形成水合物 。當液態二氧化碳注入到井筒內后，二氧化碳接觸到地層會迅速吸熱，氣化時會帶走大量的熱，使得實際的溫度比液態二氧化碳溫度更低，當溫度低于-30攝氏度時，很低的壓力二氧化碳就會形成干冰，大量的干冰形成會堵塞注入通道。液態二氧化碳如果在油管中進行注入不會形成堵塞現象，主要原因是①液態的二氧化碳不與地層接觸，吸熱速度較慢，因此不宜形成干冰；②套管內已經全部被二氧化碳占據，環空內也都是氣體二氧化碳，液體二氧化碳不會與水接觸，不易形成水合物；③油管的直徑比環空要大，即使形成少量固體也不易形成堵塞。這樣可以避免形成二氧化碳水合物堵塞通道。在本發明的實施方式中，用于注入氣體的油管可以是本領域中通常采用的油管，例如天津鋼管集團公司的TP80NC-13Cr系列油管和TP-EX扣型(在注入二氧化碳過程中壓力低于20MPa無泄漏)。在本發明的更優選的實施方式中，用于注入氣體的油管采用的是加厚與密封性加強的油管。此處的加厚和密封性好的油管是指具有特殊連接接頭(這種油管接頭能夠增加抗拉強度、密封性和耐二氧化碳)。例如天津鋼管廠生產的密封性油管接頭。加厚和密封性好的油管的隔水能力強，尤其是可以避免在注入過程中，注入的氣體與水接觸，因此是特別優選的。圖3示出了一種向深部煤層中注入二氧化碳開采提高煤層氣產量的工藝裝置示意圖。整個工藝裝置包括注入井口、二氧化碳罐車、二氧化碳注入泵、泵車和水罐車。注入工藝的步驟主要是將液態二氧化碳從罐車通過車載泵或者罐車內壓力壓入二氧化碳注入泵(POP泵)內，注入泵將液態二氧化碳泵入注入井井口，通過油管或者其它途徑進入煤儲層。注入施工完成后，關閉井。一個月后，待井底的壓力逐漸變小，就利用泵車上的泵，將水罐車內的水壓入到井內，使二氧化碳全部進入煤層氣儲層內。然后進行煤層氣的排水采氣。圖4示出了一種適于本發明的方法的注入井井筒結構。如圖所示，井筒主體結構由油管以及油管外的套管構成，整個結構包括注入用0139. 7加厚油管、油管封隔器、NOGO短接和井下壓力計。在煤層上部安裝井下封隔器，將注入的目的煤層(煤層氣儲層)與上部分隔開，形成一個獨立的壓力系統。井下壓力計托安裝在目的煤層的中部，井下壓力計設置于其中，使得測得數據接近煤儲層實際值。在通過油管注入時，將封隔器安裝在儲層頂部處的油管處，在封隔器的下部使用篩管連接，并且油管絲扣油使用柴油，防止油管絲扣油凍結，泄漏二氧化碳。這樣的井筒結構可以保證在氣體的注入過程中，氣體可以盡量少地與水接觸，因為油管提供了足夠好的與水的隔絕，另外隔離器也防止了注入的氣體向套管中竄流，注入的氣體通過篩管進入井底，進而進入煤層中，井下壓力計實時為注入步驟提供注入壓力。在本發明的實施方式中，所述氣體的注入可以連續、間歇或者半連續地進行。在本發明的實施方式中，在注入氣體的過程中，需要保證在注入壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力的條件下進行。本申請所述的注入壓力是注入的氣體在即將進入煤層氣儲層之前的壓力，通常約等于二氧化碳罐車提供的給泵的入口壓力、二氧化碳泵本身產生的壓力和管柱內二氧化碳形成的壓力之和。可在井底、注入的氣體即將進入煤層氣儲層之前的地方設置井底壓力計來監測井底壓力，也即注入壓力。在本申請中，井底壓力和注入壓力可以互換使用。保持井底壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力是為了保持注入的氣體儲存在煤層中，如果壓力過大致使煤層破裂之后，注入的氣體將有可能進入其它地層，注入的氣體不能置換出甲烷，就起不到注入氣體提高煤層氣井產量的目的。在本發明的實施方式中，在步驟b中，通過控制注入壓力來控制注入速率，使得注入施工安全和穩定，也即，使得井底壓力低于煤層破裂壓力，實現在注入二氧化碳的同時，煤層與上下巖層未產生大的斷裂。在現有技術中，向地層或者煤層中注入流 體時，控制井底壓力可以如下進行采用注入前的根據二氧化碳密度和溫度計算井口注入壓力和井底壓力的關系，然后在注入設備上設置過壓截斷裝置；或者在井底安裝壓力計，在井口讀取井底壓力數值來控制注入壓力不會過大，在注入壓力驟增的情況下，將注入設備的功率適當調小或者關閉注入設備，待壓力變小之后，再繼續注入操作。在本發明的一種實施方式中，通過控制注入泵的轉速和壓力來控制氣體的注入速率。在該實施方式中，在注入氣體時，采用井底直讀壓力計和變頻控制系統控制注入壓力和注入速率，使得注入壓力低于煤層氣儲層破裂壓力。通過地面直讀壓力計得到井底壓力，當井底壓力接近煤儲層破裂壓力時，調節注入泵的變頻控制系統，調低注入泵的轉速，降低注入壓力，從而達到降低井底壓力的目的。在本發明的實施方式中，在步驟b中，采用監測設備，并且監測設備配備超壓斷電和超壓保護裝置，使得在注入過程中如果井底壓力超過破裂壓力，則系統泄壓。在注入氣體的過程中，注入泵的排量可根據下述的步驟d獲得的數據進行設計，其可為5至500立方米/天，優選15至200立方米/天，更優選20至100立方米/天，更優選20至60立方米/天，最優選30至50立方米/天。煤層氣儲層的破裂壓力可以根據煤層氣井壓裂施工中得到破裂壓力計算。本發明的方法還包括以下步驟f.在步驟a之前進行洗井。在實施本發明的方法的過程中，如果井筒內有大量的煤粉，注入二氧化碳可能引起煤粉堵塞儲層通道，因此可能在實施注入二氧化碳之前需要進行洗井作業，采用I %氯化鉀溶液進行洗井，返排出井筒內所有的煤粉，注入二氧化碳后不引起儲層通道的堵塞。因此，在本發明的一種實施方式中，本發明的方法還包括在步驟a之前進行洗井。在該實施方式中，在洗井的同時保持井筒附近的煤層氣儲層無污染和減少洗井液與儲層反應產生的污染。還在該實施方式中，洗井液采用I %氯化鉀溶液或者地層水。仍然在該實施方式中，在洗井的過程中返排出井筒內的煤粉，從而使得在注入液體二氧化碳后不引起儲層通道的堵塞。在本發明的一種實施方式中，本發明的方法還包括以下步驟d.在注入氣體之前，進行前期的生產和關井測試，通過生產采集井底壓力數據和進行產出氣體成分化驗，評價煤層氣儲層的特征，測量和記錄煤層氣和水的產量數據，通過模擬軟件，使用這些數據計算儲層的絕對滲透率、井筒區域的煤層傷害程度；e.進行關井測試關閉井，測試井底壓力。
步驟d是為了獲得煤層氣儲層的相關參數；以及以便于通過模擬軟件用步驟d和e獲得的數值進行模擬，計算注入速率和注入量。前期的數值模擬得到煤儲層的滲透率、孔隙度和裂縫范圍等參數，數值模擬模型經過擬合后，符合實際地質情況。然后，進行注入二氧化碳的預測，通過數值模擬結果調節注入量和注入速率，選擇注入效果最好的方式進行施工。模擬軟件可以使用本領域通常使用的軟件，例如購自斯倫貝謝公司的ECLIPSE數值模擬軟件。具體地是首先根據采集的數據，輸入氣體成分、氣和水的產量，然后進行歷史擬合，通過擬合產量，得到儲層的絕對滲透率和井筒區域的煤層傷害程度，然后再進一步估算其它數據，例如注入速率、注入壓力和注入量。步驟e中的關閉井是指將整個井筒封閉。在本申請中，關井和悶井是一樣的操作。使用同一口井進行本發明方法時，在進行本發明的方法的整個過程中，需要進行 三次修井作業，第一次是在生產前安裝井下壓力計，第二次是注入前安裝井下壓力計和注入井口設備，第三次修井作業是注入后進行壓井作業。實施例實施例I選擇一個深部煤層氣煤田，采用如圖3所示的注入設備，注入工藝的步驟主要是將液態二氧化碳(二氧化碳含量99. 5% )從罐車通過車載泵壓入二氧化碳注入泵(POP泵)內，注入泵將液態二氧化碳泵入注入井井口，通過油管和套管的間隙進入煤層氣儲層。注入施工完成后，關閉井。一個月后，待井底的壓力逐漸變小，就利用泵車上的泵，將水罐車內的水壓入到井內，使二氧化碳全部進入煤層氣儲層內。再通過注入井進行煤層氣的排水采氣。該井注入二氧化碳之前，平均產氣量為556. 9立方米每天。經過13天間歇性的注入液態的CO2，平均每天注入49噸。注入CO2后，關井30天。開井后繼續進行排采，平均產氣量為1017立方米每天。本次實驗的結果表明注入二氧化碳后，該井的產量增加約一倍。本次實驗取得了良好的效果。但是施工期間出現多次被堵塞的現象，經推斷是注入的二氧化碳形成水合物或者干冰堵塞了注入通道導致的。實施例2選擇與實施例I相同的深部煤層氣煤田，采用與實施例I中所采用的注入方法相同的方法進行注入操作，所不同的是液體二氧化碳(二氧化碳含量99. 5% )通過油管進入煤層氣儲層。此時，注入井的結構如圖4中所示。注入施工完成后，關閉井。一個月后，待井底的壓力逐漸變小，就利用泵車上的泵，將水罐車內的水壓入到井內，使二氧化碳全部進入煤層氣儲層內。再通過注入井進行煤層氣的排水采氣。該井深度為1081米，滲透率非常低，大約0. 8毫達西。平均產氣量200立方米每天，注入223噸二氧化碳后，經過一個月的關井，產氣量最高達到1200立方米每天，平均產氣350立方米每天。本次實驗的結果表明注入二氧化碳后，該井的產量增加約一倍，本次實驗取得了良好的效果。而且，在施工期間沒有出現堵塞的現象。分析堵塞的主要原因在二氧化碳注入過程中，二氧化碳的溫度從_30°C變化到儲層的25°C，如果二氧化碳在到達儲層的過程中溫度達到10°C之前遇到水，就有可能形成水合物，這些水合物可能堵塞射孔或者附近的通道。使用套管與油管的間隙注入時，由于間隙中容易出現水，所以也容易形成二氧化碳水合物而 導致通道堵塞，而使用油管注入時，前期注入的液態二氧化碳不與套管直接接觸，油管內全部都是二氧化碳，就不易形成水合物。
權利要求
1.一種開采煤層氣的方法，其包括以下步驟 a.在注入壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力的條件下，通過注入井向煤層氣儲層中注入氣體，所述注入的氣體在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中； b.在步驟a之后，進行悶井，使得注入的氣體和吸附到煤層氣儲層中的甲烷發生置換； c.通過開采井進行煤層氣的排水采氣。
2.權利要求I的方法，其中所述注入的氣體是包含二氧化碳的氣體。
3.權利要求I或2的方法，其中所述注入的氣體是包含二氧化碳的氣體，并且其中含有至少40體積％，優選至少50體積％，還優選至少60體積％，還優選至少70體積％，還優選至少80體積％,更優選至少90體積％,最優選至少98體積％的二氧化碳,余量為氮氣和/或其它氣體。
4.前述權利要求中任一項的的方法，其中所述煤層氣儲層為深部煤層。
5.前述權利要求中任一項的方法，其中悶井的時間為I天至300天，優選20至60天，優選30至60天，更優選40至60天。
6.前述權利要求中任一項的方法，其中所述注入井和所述開采井是同一口井。
7.權利要求2至6中任一項的方法，其中向煤層氣儲層中注入氣體的過程中，保持該注入的氣體與盡可能少的水接觸。
8.權利要求7的方法，其中所述注入的氣體的注入采用油管注入。
9.前述權利要求中任一項的方法，其中所述方法還包括以下步驟之一或全部 d.在注入氣體之前，進行前期的生產和關井測試，通過生產采集井底壓力數據和進行產出氣體成分化驗，評價煤層氣儲層的特征，測量和記錄煤層氣和水的產量數據，通過模擬軟件，使用這些數據計算儲層的絕對滲透率、井筒區域的煤層傷害程度； e.進行關井測試關閉井,測試井底壓力。
10.前述權利要求中任一項的方法，其中所述注入的氣體的注入是連續、間歇或者半連續地進行的。
11.權利要求9的方法，其中包括通過模擬軟件用步驟d和e獲得的數值進行模擬，計算注入速率和注入量。
12.前述權利要求中任一項的方法，還包括以下步驟f.在步驟a之前進行洗井。
13.權利要求12的方法，其中，在洗井的同時保持井筒附近的煤層氣儲層無污染和減少洗井液與儲層反應產生的污染。
14.權利要求12或13的方法，其中洗井液采用I%氯化鉀溶液或者排采出的地層水。
15.權利要求12至14中任一項的方法，其中在洗井的過程中返排出井筒內的煤粉，從而使得在注入氣體時不引起儲層通道的堵塞。
全文摘要
一種開采煤層氣的方法，其包括以下步驟a.在注入壓力低于煤層氣儲層的破裂壓力的條件下，通過注入井向煤層氣儲層中注入氣體，所述注入的氣體在煤層氣儲層條件下比甲烷更容易吸附到煤層中；b.在步驟a之后，進行悶井，使得注入的氣體和吸附到煤層氣儲層中的甲烷發生置換；c.通過開采井進行煤層氣的排水采氣。
文檔編號E21B43/22GK102720473SQ20111008034
公開日2012年10月10日 申請日期2011年3月31日 優先權日2011年3月31日
發明者葉建平, 張兵, 王贊惟 申請人:中聯煤層氣有限責任公司